第02章光纖通信原理ppt課件

1、光纖作為光纖通信系統(tǒng)的物理傳輸媒光纖作為光纖通信系統(tǒng)的物理傳輸媒介，有著巨大的優(yōu)越性。介，有著巨大的優(yōu)越性。本章首先介紹光纖的結(jié)構(gòu)與類型，然本章首先介紹光纖的結(jié)構(gòu)與類型，然后用射線光學(xué)理論和波動(dòng)光學(xué)理論重點(diǎn)分后用射線光學(xué)理論和波動(dòng)光學(xué)理論重點(diǎn)分析光在階躍型光纖中的傳輸情況，最后簡(jiǎn)析光在階躍型光纖中的傳輸情況，最后簡(jiǎn)要介紹光纜的構(gòu)造、典型結(jié)構(gòu)與光纜的型要介紹光纜的構(gòu)造、典型結(jié)構(gòu)與光纜的型號(hào)。號(hào)。所示。所示。圖圖2.1 光纖結(jié)構(gòu)示意圖光纖結(jié)構(gòu)示意圖圖圖2.2 光纖的折射率分布光纖的折射率分布光纖的折射率變化可以用折射率光纖的折射率變化可以用折射率沿半徑的分布函數(shù)沿半徑的分布函數(shù)n(r)來表示。來表

2、示。）（ 1 . 2 21arnarnr n單模光纖是只能傳輸一種模式的光纖，單模光纖是只能傳輸一種模式的光纖，單模光纖只能傳輸基模單模光纖只能傳輸基模(最低階模最低階模)，不存，不存在模間時(shí)延差，具有比多模光纖大得多的在模間時(shí)延差，具有比多模光纖大得多的帶寬，這對(duì)于高碼速傳輸是非常重要的。帶寬，這對(duì)于高碼速傳輸是非常重要的。3. 按光纖的工作波長(zhǎng)分類按光纖的工作波長(zhǎng)分類按光纖的工作波長(zhǎng)可以將光纖分為短按光纖的工作波長(zhǎng)可以將光纖分為短波長(zhǎng)光纖、長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖和超長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖。波長(zhǎng)光纖、長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖和超長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖。模光纖和階躍型單模光纖。模光纖和階躍型單模光纖。率為率為1.45左右左右)。反射定律：反射

3、光線位于入射光線和反射定律：反射光線位于入射光線和法線所決定的平面內(nèi)，反射光線和入射光法線所決定的平面內(nèi)，反射光線和入射光線處于法線的兩側(cè)，并且反射角等于入射線處于法線的兩側(cè)，并且反射角等于入射角，即：角，即：11。折射定律折射定律 ：折射光線位于入射光線和：折射光線位于入射光線和法線所決定的平面內(nèi)，折射光線和入射光法線所決定的平面內(nèi)，折射光線和入射光線位于法線的兩側(cè)，且滿足：線位于法線的兩側(cè)，且滿足：n1sin1=n2sin2個(gè)固定的平面內(nèi)，并且不與光纖個(gè)固定的平面內(nèi)，并且不與光纖的軸線相交，這種光線稱為斜射的軸線相交，這種光線稱為斜射線。線。圖圖2.6 光線在階躍型光纖中的傳播光線在階躍型

4、光纖中的傳播圖圖2.9 光纖中光波相位的變化情況光纖中光波相位的變化情況相位一致條件就是說：如果圖中所示相位一致條件就是說：如果圖中所示的這個(gè)模式在的這個(gè)模式在A、B處相位相等，則經(jīng)過一處相位相等，則經(jīng)過一段傳播距離后，在段傳播距離后，在A、B處也應(yīng)該相位相處也應(yīng)該相位相等或相差等或相差2的整數(shù)倍。的整數(shù)倍。光纖的相位一致條件也可以從另外一光纖的相位一致條件也可以從另外一個(gè)角度出發(fā)得到。根據(jù)物理學(xué)的知識(shí)可知：個(gè)角度出發(fā)得到。根據(jù)物理學(xué)的知識(shí)可知：波在無(wú)限空間中傳播時(shí)，形成行波；而在波在無(wú)限空間中傳播時(shí)，形成行波；而在有限空間傳播時(shí)，形成駐波。有限空間傳播時(shí)，形成駐波。一旦確定了光波導(dǎo)和光波長(zhǎng)，

5、那么一旦確定了光波導(dǎo)和光波長(zhǎng)，那么n1、n2、纖芯直徑、纖芯直徑2a以及真空中光的傳播常數(shù)以及真空中光的傳播常數(shù)k0也就確定了，而且式也就確定了，而且式(2-17)中的最大中的最大N值值也就確定了。也就確定了。對(duì)于漸變型多模光纖，同樣，其導(dǎo)模對(duì)于漸變型多模光纖，同樣，其導(dǎo)模不僅要滿足全反射條件，還要滿足相位一不僅要滿足全反射條件，還要滿足相位一致條件。致條件。在漸變型多模光纖中，低階模由于靠在漸變型多模光纖中，低階模由于靠近光纖軸線，其傳播路程短，但靠近軸線近光纖軸線，其傳播路程短，但靠近軸線處的折射率大，該處光線傳播速度慢；高處的折射率大，該處光線傳播速度慢；高階模遠(yuǎn)離軸線，它的傳播路程長(zhǎng)，

6、但離軸階模遠(yuǎn)離軸線，它的傳播路程長(zhǎng)，但離軸線越遠(yuǎn)折射率越小，該處光線的傳播速度線越遠(yuǎn)折射率越小，該處光線的傳播速度越快。越快。為了描述光纖中傳輸?shù)哪Ｊ綌?shù)目，在為了描述光纖中傳輸?shù)哪Ｊ綌?shù)目，在此引入一個(gè)非常重要的結(jié)構(gòu)參數(shù)，即光纖此引入一個(gè)非常重要的結(jié)構(gòu)參數(shù)，即光纖的歸一化頻率，一般用的歸一化頻率，一般用V表示，其表達(dá)式表示，其表達(dá)式如下：如下：）（19. 2 222200anCanankVmmm平面波是非常重要的波型，一些復(fù)雜平面波是非常重要的波型，一些復(fù)雜的波可以由平面波疊加得到。在折射率為的波可以由平面波疊加得到。在折射率為n的無(wú)限大的介質(zhì)中，一工作波長(zhǎng)為的無(wú)限大的介質(zhì)中，一工作波長(zhǎng)為0的平

7、的平面波在其中傳播，其波數(shù)為：面波在其中傳播，其波數(shù)為：式中：式中：k0是真空中的波數(shù)，是真空中的波數(shù)，是光的是光的角頻率，角頻率，和和分別是介質(zhì)的導(dǎo)磁率和介電分別是介質(zhì)的導(dǎo)磁率和介電常數(shù)常數(shù),設(shè)平面波傳播方向的單位矢量為設(shè)平面波傳播方向的單位矢量為as，則則k = ask稱為平面波在該介質(zhì)中的波矢量。稱為平面波在該介質(zhì)中的波矢量。）（ 25. 2 200nknk ）（ a29. 2 120101jeREER ）（ b29. 2 220102jeTEET式中：式中：R、T都是復(fù)數(shù)，包括大小及都是復(fù)數(shù)，包括大小及相位。其模值分別表示反射波、傳遞波與相位。其模值分別表示反射波、傳遞波與入射波幅度的

8、大小之比；入射波幅度的大小之比；21、22是是R和和T的相角，分別表示在介質(zhì)分界面上反射的相角，分別表示在介質(zhì)分界面上反射波、傳遞波比入射波超前的相位。波、傳遞波比入射波超前的相位。 ）（ a29. 2 120101jeREER ）（ b29. 2 220102jeTEET）（33. 2 1sincos122212nnj）（40. 2 cos212122cossinsin2221112cjarctgjennneTT式中：式中：E為電場(chǎng)為電場(chǎng)強(qiáng)度矢量；強(qiáng)度矢量；D為電位為電位移矢量；移矢量；H為磁場(chǎng)強(qiáng)為磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量；度矢量；B為磁感應(yīng)為磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量。且強(qiáng)度矢量。且D與與E，B與與H有下列關(guān)系。

9、有下列關(guān)系。 ）（）（）（）（d44. 2 0c 44. 2 0b44. 2 a 44. 2BDEjHHjE）（）（b 45. 2 a 45. 2HBED ）（a 47. 2 2AAA ）（b47. 2 AAA對(duì)于同一類型的波，其場(chǎng)強(qiáng)在圓周方對(duì)于同一類型的波，其場(chǎng)強(qiáng)在圓周方向向(即即方向方向)或徑向方向或徑向方向(即即r方向方向)的分布情的分布情況又會(huì)有所區(qū)別，即電磁場(chǎng)的分布會(huì)不盡況又會(huì)有所區(qū)別，即電磁場(chǎng)的分布會(huì)不盡相同。相同。目前通信用光纖的相對(duì)折射率差目前通信用光纖的相對(duì)折射率差 1，稱為弱導(dǎo)光纖。這種光纖可以近似，稱為弱導(dǎo)光纖。這種光纖可以近似地用平面波束分析光的傳播。地用平面波束分析光

10、的傳播。所示。所示。圖圖2.16幾個(gè)低階模的場(chǎng)型幾個(gè)低階模的場(chǎng)型(實(shí)線為電力線，實(shí)線為電力線，虛線為磁力線，虛線為磁力線，g=2/) ）（ 85. 2 01122WUmB式 中 導(dǎo) 模 的 傳 播 常 數(shù) 不 能 為 零 ，2211WU也 不 能 為 零 ， B也 不 能 為 零（ 如 果 A 、 B 同 時(shí) 為 零 ， 此 時(shí) 光 纖 中 不 存 在電 磁 場(chǎng) ） ； 因 此 ， 只 有 m 0 。 TE0n和TM0 n模 歸 一 化 截 止 頻 率根 據(jù) 貝 塞 爾 函 數(shù) 的 性 質(zhì) ， 當(dāng)W ? 0時(shí) ， 有 如 下 的 近 似 式5 ： 當(dāng)m 0時(shí) ： ）（ a91. 2 2ln0W

11、WK 當(dāng)m 0時(shí) ： ）（ b91. 2 2! 121mmWmWK因 此 ： ）（ c91. 2 11WWK EHm n模 的 歸 一 化 截 止 頻 率 根 據(jù)EH模 的 特 征 方 程 （ 2.89） 式 和 （ 2.91b） 式 ， 在 臨 界 狀 態(tài) 下 有 ： 201012lim2! 1212!21limWmWmWWmUJUUJWmmWcmccm 從 而 得 到 ： ）（93. 2 0cmUJ H Em n模 的 歸 一 化 截 止 頻 率由 于 當(dāng)W ? 0時(shí) ， K0（ W ） 和Km（ W ） （ m 0） 的 近 似 公 式不 同 ， 在 這 里 要 分m 1和m 2兩 種

12、情 況 討 論 。a. 當(dāng)m 1時(shí) 。根 據(jù)H E模 的 特 征 方 程 （ 2.90） 式 和 （ 2.91a） 、 （ 2.91c） 式 ，在 臨 界 狀 態(tài) 下 有 ： WWWWWWKWKUJUUJWWWccc2lnlim12lnlimlim0010010從 而 得 到 ： ）（94. 2 001ccUJU式 （ 2.94） 就 是H E1n在 臨 界 狀 態(tài) 下 的 特 征 方 程 。 b.當(dāng)m 2時(shí)根 據(jù)H E模 的 特 征 方 程 （ 2.90） 式 和 （ 2.91b） 式 ， 在 臨 界 狀 態(tài) 下 有 ： 1212!1212!221limlim120101mWmWWmWWKW

13、KUJUUJmmWmmWcmccm 從 而 得 到 ： ）（95. 2 121cmcmcUJmUJU 根 據(jù) 貝 塞 爾 函 數(shù) 的 遞 推 公 式5 ）（ 96. 2 211cmccmccmUJUUJUUmJ將 式 （ 2.96） 代 入 式 （ 2.95） ， 得 ： ）（97. 2 022cmccmccmccmcUJUUJUUJUUJU式 中 ： 如 果U c 0， 則 0000011mmcmccmJJUJUUJ， 成 為 不 定 型 ，所 以U c 0， 只 有 ： ）（98. 2 02cmUJ 式 （ 2.98） 就 是H Em n （ m 2） 模 在 臨 界 狀 態(tài) 下 的 特

14、征 方 程 。 T E0n模 和 T M0 n模 遠(yuǎn) 離 截 止 時(shí) 的 U值 將 式 （ 2.101） 代 入 T E模 和 T M 模 的 特 征 方 程 （ 2 .88）式 中 ， 可 得 到 ： 01limlim0101WWWKWKUUJUJWW從 而 得 到 ： ）（101. 2 01UJ E Hm n模 遠(yuǎn) 離 截 止 時(shí) 的 U值將 式 （ 2 .1 0 1 ） 代 入 E H模 的 特 征 方 程 （ 2 .9 0 ） 式 中 ，可 得 到 ： 01limlim11WWWKWKUUJUJWmmWmm從 而 得 到 ： ）（102. 2 01UJm式 （ 2 .1 0 3 ） 就

15、 是 E Hm n模 遠(yuǎn) 離 截 止 時(shí) 特 征 方 程 。 圖圖2.21光纜的典型結(jié)構(gòu)示意圖光纜的典型結(jié)構(gòu)示意圖根據(jù)光纖的種類，光纜可以分為多模根據(jù)光纖的種類，光纜可以分為多模光纜、單模光纜；光纜、單模光纜；根據(jù)光纖套塑的種類，光纜可以分為根據(jù)光纖套塑的種類，光纜可以分為緊套光纜、松套光纜、束管式新型光纜和緊套光纜、松套光纜、束管式新型光纜和帶狀式多芯單元光纜；帶狀式多芯單元光纜；根據(jù)光纖芯數(shù)的多少，光纜可以分為根據(jù)光纖芯數(shù)的多少，光纜可以分為單芯光纜和多芯光纜等等；單芯光纜和多芯光纜等等；根據(jù)加強(qiáng)構(gòu)件的配置方式，光纜可以根據(jù)加強(qiáng)構(gòu)件的配置方式，光纜可以分為中心加強(qiáng)構(gòu)件光纜分為中心加強(qiáng)構(gòu)件光

16、纜(如層絞式光纜、骨如層絞式光纜、骨架式光纜等架式光纜等)、分散加強(qiáng)構(gòu)件光纜、分散加強(qiáng)構(gòu)件光纜(如束管如束管式光纜式光纜)和護(hù)層加強(qiáng)構(gòu)件光纜和護(hù)層加強(qiáng)構(gòu)件光纜(如帶狀式光如帶狀式光纜纜)；根據(jù)敷設(shè)方式，光纜可以分為管道光根據(jù)敷設(shè)方式，光纜可以分為管道光纜、直埋光纜、架空光纜和水底光纜；纜、直埋光纜、架空光纜和水底光纜；根據(jù)護(hù)層材料性質(zhì)，光纜可以分為普根據(jù)護(hù)層材料性質(zhì)，光纜可以分為普通光纜、阻燃光纜和防蟻、防鼠光纜等。通光纜、阻燃光纜和防蟻、防鼠光纜等。圖圖2.22 光纜的型式代號(hào)光纜的型式代號(hào)表 2 . 4 外 護(hù) 層 的 代 號(hào) 及 意 義代 號(hào)鎧 裝 層代 號(hào)外 被 層0無(wú)0無(wú)1 1纖 維 層2雙 鋼 帶2聚 氯 乙 烯 套3細(xì) 圓 鋼 絲3聚 乙 烯 套4粗 圓 鋼 絲5單 鋼 帶 皺 紋 縱 包其中其中a表示使用波長(zhǎng)的代號(hào)，其數(shù)字表示使用波長(zhǎng)的代號(hào)，其數(shù)字代號(hào)規(guī)定如下：代號(hào)規(guī)定如下：1：使用波長(zhǎng)在：使用波長(zhǎng)在0.85m區(qū)域；區(qū)域；2：使用波長(zhǎng)在：使用波長(zhǎng)在1.31m區(qū)域；區(qū)域；3：使用波長(zhǎng)在：使用波長(zhǎng)在1.55m區(qū)域。區(qū)域。bb表示損耗系數(shù)的代號(hào)，其